Sujet de thèse IFSTTAR

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Fiche détaillée :

Titre : Modélisation environnementale et caractérisation physique des matériaux et des éléments de structures de la déconstruction en vue de leur recyclage dans une économie circulaire

Laboratoire principal - Référent principal   -

Directeur du laboratoire principal   -

Spécialité de la thèse Structures et matériaux

Axe 2 - COP2017 - Améliorer l'efficience et la résilience des infrastructures

Site principal Marne-la-Vallée

Etablissement d'inscription UNIVERSITE PARIS-EST

Ecole doctorale SCIENCES, INGENIERIE ET ENVIRONNEMENT (SIE)

Directeur de thèse prévu FERAILLE Adélaïde  -  ENPC  -  Navier

Co-directeur de thèse prévu COLAS Anne-Sophie  -  Université Gustave Eiffel  -  GERS - RRO

Type de financement prévu Contrat doctoral  - Ifsttar

Résumé

La loi sur la transition énergétique et la croissance verte stipule que 70% des déchets du génie civil et du bâtiment doivent être valorisés sous forme de matière. En parallèle, dans un contexte de raréfaction des ressources naturelles, il s'avère nécessaire de les préserver et ce notamment dans le domaine de la construction puisque les granulats ne sont pas disponibles de façon égale sur le territoire. Ainsi, le terme d'économie circulaire est de plus en plus employé dans le domaine des matériaux, avec l'idée de préserver la ressource en utilisant les matériaux de déconstruction (réutilisation/réemploi/recyclage). De plus la directive 2008/98/CE relative aux déchets donne une hiérarchisation de la prévention et de gestion des déchets comme suit : il vaut mieux faire de la prévention de déchets puis préparer en vue de réemployer puis recycler puis valoriser et enfin éliminer. Huygen [1] parle de l’approche des 3R-V : Réduire, Réutiliser, Recycler, Valoriser. D’un point de vue environnemental, il est en effet plus efficace de réutiliser que de recycler. Par exemple pour le béton, actuellement son devenir possible est une utilisation en tant que granulat pour les chaussées mais qu'en est-il d'une poutre en béton armé ? Peut-elle être réutilisée par exemple dans un bâtiment d'habitation ou pour du mobilier urbain ?

L'analyse de cycle de vie (ACV) est une méthode permettant de caractériser les impacts environnementaux d'un produit, d'un système ou d'un service. Elle repose sur le principe d'une approche multicritères en prenant en compte l’ensemble du cycle de vie. Dans le cas d'un bâtiment ou d'un ouvrage, le cycle de vie débute donc par l'extraction des matières premières qui vont constituer les matériaux et se termine par l'étape de fin de vie (démolition/déconstruction, traitement des déchets, élimination). Toutefois cette dernière étape reste jusqu’à présent peu étudiée [2], [3], alors qu'elle devient désormais cruciale puisqu’elle pose les bases essentielles, avec l’étape de conception, d’une économie circulaire efficiente.
Cette thèse se situe dans la continuité de celle de Raphael Brière [2], soutenue en janvier 2016, dans laquelle la réutilisation d'éléments structurels en béton armé en lieu et place d'un recyclage a été envisagée afin d'allonger leur durée de vie et de diminuer les besoins en ressources minérales. La pertinence environnementale de cette solution alternative a été ainsi regardée au travers d’un cas d’étude concernant une poutre en béton armé. Il s’agira de s’appuyer sur ce qui a été réalisé [2] mais en cherchant à systématiser une démarche.
Ainsi en premier lieu, en vue d’une utilisation la plus adéquate, il est important de juger de la possibilité de réemploi/réutilisation des matériaux de déconstruction en fonction de leurs propriétés physiques. En effet, la méthode de déconstruction d'un bâtiment peut influer sur les caractéristiques du matériau ou de l'élément de structure. Par ailleurs, les matériaux ou éléments de structure s'avèrent avoir vécus un certain temps et il est donc primordial d'évaluer précisément leur devenir possible en fonction de leurs caractéristiques après déconstruction. Pour cette partie concernant la caractérisation des éléments de structure, nous nous appuierons sur le laboratoire de St Brieuc du Cerema. De plus ce laboratoire, de par son implantation territoriale, nous permettra d’accéder à des chantiers de déconstruction de bâtiments et d’ouvrages de génie civil.
L’évaluation du potentiel de réutilisation et recyclage des matériaux au travers notamment des performances résiduelles ainsi que la réflexion autour des processus de transformation ou d’adaptation associés au cycle suivant sera réalisée avec SDOA (IFSTTAR).
Enfin tout comme dans la thèse [2] la pertinence environnementale des solutions envisagées devra être évaluée. Pour ce faire la méthode ACV sera adaptée au contexte de la fin de vie/réutilisation du bâtiment et/ou de l’ouvrage. Le fait que le cycle de vie soit évolutif au travers du réemploi implique des développements méthodologiques qui seront suivis par Navier.

L’originalité de ce projet repose sur la prise en compte de deux aspects importants qui à ce jour s'avèrent souvent décorrélés : le point de vue environnemental et le point de vue physique. Ce projet s'inscrira dans un contexte territorial adapté au projet permettant d’explorer des filières courtes et d’y associer des impacts locaux (pollution de l’air, économie de proximité par exemple) en compléments des impacts globaux du contexte normatif international (réchauffement climatique, consommation d’énergie primaire non renouvelable, eutrophisation, etc.).

Objectifs
Les objectifs de cette thèse peuvent être vus comme suit :
• Le développement d’une méthodologie d’évaluation et de caractérisation d’éléments de structures sur des sites de démolition
• La construction d’indicateurs de potentiels de réemploi et recyclabilité pouvant être associés aux matériaux et produits dans les bases de données environnementales existantes (DIOGEN, INIES, …)
• Le développement d’éléments méthodologiques à intégrer dans les guides de conception des ouvrages de génie civil et bâtiments
• Une intégration aux normes existantes, relatives aux déclarations environnementales des produits, de points méthodologiques en relation avec l’économie circulaire

Méthodologie
Les étapes clé de la démarche proposée sont :
• identifier les paramètres, liés aux propriétés des matériaux, produits et éléments structuraux et leur mise en œuvre, déterminant les possibilités de réutilisation ou recyclage, selon les aspects techniques, environnementaux et dans la mesure du possible économiques,
• identifier les paramètres autres (conception des structures, contraintes de transport ou de stockage), conditionnant la possibilité de réutilisation des produits de construction, selon les aspects techniques, environnementaux et dans la mesure du possible économiques,
• évaluer, d’un point de vue environnemental, socio-économique et technique, les processus (démolition, transports, traitements, évaluation des propriétés résiduelles, ...) associés aux possibilités de réutilisation ou de recyclage (depuis le fin du cycle n jusqu’à la mise en œuvre dans le cycle n+1),
• construire des indicateurs permettant d'identifier les possibilités de valorisation des matériaux et des éléments de structure (référence au module D de la norme NF EN15804) et l'usage optimal de ceux-ci dans un cycle de vie n+1,
• contribuer à l'éco-conception des ouvrages et bâtiments dans le cadre d'une optique « durée de vie typique d'ouvrage – durée de vie non limitée des matériaux » (propositions permettant d'améliorer les taux de réutilisation et recyclage des matériaux).

Références bibliographiques
[1] Huygen J.M., La poubelle et l’architecte: vers le réemploi des matériaux, Actes Sud, 2008,183 pp.
[2] Brière R. Etude ACV des chantiers de démolition en vue de la préservation des ressources. Focus sur les procédés de transport et de décharge. PhDThesis. Université Paris Est, 2016.
[3] Bovea M.D., Powell J.C. Developments in life cycle assessment applied to evaluate the environmental performance of construction and demolition wastes. Waste Management, 50, 2016, 151-172.

Mots-clefs: Matériaux de la déconstruction, réemploi d’éléments de structure, analyse du cycle de vie, économie circulaire

Laboratoire principal - Référent principal	-
Directeur du laboratoire principal	-
Spécialité de la thèse	Structures et matériaux
Axe	2 - COP2017 - Améliorer l'efficience et la résilience des infrastructures
Site principal	Marne-la-Vallée
Etablissement d'inscription	UNIVERSITE PARIS-EST
Ecole doctorale	SCIENCES, INGENIERIE ET ENVIRONNEMENT (SIE)
Directeur de thèse prévu	FERAILLE Adélaïde - ENPC - Navier
Co-directeur de thèse prévu	COLAS Anne-Sophie - Université Gustave Eiffel - GERS - RRO
Type de financement prévu	Contrat doctoral - Ifsttar
Résumé La loi sur la transition énergétique et la croissance verte stipule que 70% des déchets du génie civil et du bâtiment doivent être valorisés sous forme de matière. En parallèle, dans un contexte de raréfaction des ressources naturelles, il s'avère nécessaire de les préserver et ce notamment dans le domaine de la construction puisque les granulats ne sont pas disponibles de façon égale sur le territoire. Ainsi, le terme d'économie circulaire est de plus en plus employé dans le domaine des matériaux, avec l'idée de préserver la ressource en utilisant les matériaux de déconstruction (réutilisation/réemploi/recyclage). De plus la directive 2008/98/CE relative aux déchets donne une hiérarchisation de la prévention et de gestion des déchets comme suit : il vaut mieux faire de la prévention de déchets puis préparer en vue de réemployer puis recycler puis valoriser et enfin éliminer. Huygen [1] parle de l’approche des 3R-V : Réduire, Réutiliser, Recycler, Valoriser. D’un point de vue environnemental, il est en effet plus efficace de réutiliser que de recycler. Par exemple pour le béton, actuellement son devenir possible est une utilisation en tant que granulat pour les chaussées mais qu'en est-il d'une poutre en béton armé ? Peut-elle être réutilisée par exemple dans un bâtiment d'habitation ou pour du mobilier urbain ? L'analyse de cycle de vie (ACV) est une méthode permettant de caractériser les impacts environnementaux d'un produit, d'un système ou d'un service. Elle repose sur le principe d'une approche multicritères en prenant en compte l’ensemble du cycle de vie. Dans le cas d'un bâtiment ou d'un ouvrage, le cycle de vie débute donc par l'extraction des matières premières qui vont constituer les matériaux et se termine par l'étape de fin de vie (démolition/déconstruction, traitement des déchets, élimination). Toutefois cette dernière étape reste jusqu’à présent peu étudiée [2], [3], alors qu'elle devient désormais cruciale puisqu’elle pose les bases essentielles, avec l’étape de conception, d’une économie circulaire efficiente. Cette thèse se situe dans la continuité de celle de Raphael Brière [2], soutenue en janvier 2016, dans laquelle la réutilisation d'éléments structurels en béton armé en lieu et place d'un recyclage a été envisagée afin d'allonger leur durée de vie et de diminuer les besoins en ressources minérales. La pertinence environnementale de cette solution alternative a été ainsi regardée au travers d’un cas d’étude concernant une poutre en béton armé. Il s’agira de s’appuyer sur ce qui a été réalisé [2] mais en cherchant à systématiser une démarche. Ainsi en premier lieu, en vue d’une utilisation la plus adéquate, il est important de juger de la possibilité de réemploi/réutilisation des matériaux de déconstruction en fonction de leurs propriétés physiques. En effet, la méthode de déconstruction d'un bâtiment peut influer sur les caractéristiques du matériau ou de l'élément de structure. Par ailleurs, les matériaux ou éléments de structure s'avèrent avoir vécus un certain temps et il est donc primordial d'évaluer précisément leur devenir possible en fonction de leurs caractéristiques après déconstruction. Pour cette partie concernant la caractérisation des éléments de structure, nous nous appuierons sur le laboratoire de St Brieuc du Cerema. De plus ce laboratoire, de par son implantation territoriale, nous permettra d’accéder à des chantiers de déconstruction de bâtiments et d’ouvrages de génie civil. L’évaluation du potentiel de réutilisation et recyclage des matériaux au travers notamment des performances résiduelles ainsi que la réflexion autour des processus de transformation ou d’adaptation associés au cycle suivant sera réalisée avec SDOA (IFSTTAR). Enfin tout comme dans la thèse [2] la pertinence environnementale des solutions envisagées devra être évaluée. Pour ce faire la méthode ACV sera adaptée au contexte de la fin de vie/réutilisation du bâtiment et/ou de l’ouvrage. Le fait que le cycle de vie soit évolutif au travers du réemploi implique des développements méthodologiques qui seront suivis par Navier. L’originalité de ce projet repose sur la prise en compte de deux aspects importants qui à ce jour s'avèrent souvent décorrélés : le point de vue environnemental et le point de vue physique. Ce projet s'inscrira dans un contexte territorial adapté au projet permettant d’explorer des filières courtes et d’y associer des impacts locaux (pollution de l’air, économie de proximité par exemple) en compléments des impacts globaux du contexte normatif international (réchauffement climatique, consommation d’énergie primaire non renouvelable, eutrophisation, etc.). Objectifs Les objectifs de cette thèse peuvent être vus comme suit : • Le développement d’une méthodologie d’évaluation et de caractérisation d’éléments de structures sur des sites de démolition • La construction d’indicateurs de potentiels de réemploi et recyclabilité pouvant être associés aux matériaux et produits dans les bases de données environnementales existantes (DIOGEN, INIES, …) • Le développement d’éléments méthodologiques à intégrer dans les guides de conception des ouvrages de génie civil et bâtiments • Une intégration aux normes existantes, relatives aux déclarations environnementales des produits, de points méthodologiques en relation avec l’économie circulaire Méthodologie Les étapes clé de la démarche proposée sont : • identifier les paramètres, liés aux propriétés des matériaux, produits et éléments structuraux et leur mise en œuvre, déterminant les possibilités de réutilisation ou recyclage, selon les aspects techniques, environnementaux et dans la mesure du possible économiques, • identifier les paramètres autres (conception des structures, contraintes de transport ou de stockage), conditionnant la possibilité de réutilisation des produits de construction, selon les aspects techniques, environnementaux et dans la mesure du possible économiques, • évaluer, d’un point de vue environnemental, socio-économique et technique, les processus (démolition, transports, traitements, évaluation des propriétés résiduelles, ...) associés aux possibilités de réutilisation ou de recyclage (depuis le fin du cycle n jusqu’à la mise en œuvre dans le cycle n+1), • construire des indicateurs permettant d'identifier les possibilités de valorisation des matériaux et des éléments de structure (référence au module D de la norme NF EN15804) et l'usage optimal de ceux-ci dans un cycle de vie n+1, • contribuer à l'éco-conception des ouvrages et bâtiments dans le cadre d'une optique « durée de vie typique d'ouvrage – durée de vie non limitée des matériaux » (propositions permettant d'améliorer les taux de réutilisation et recyclage des matériaux). Références bibliographiques [1] Huygen J.M., La poubelle et l’architecte: vers le réemploi des matériaux, Actes Sud, 2008,183 pp. [2] Brière R. Etude ACV des chantiers de démolition en vue de la préservation des ressources. Focus sur les procédés de transport et de décharge. PhDThesis. Université Paris Est, 2016. [3] Bovea M.D., Powell J.C. Developments in life cycle assessment applied to evaluate the environmental performance of construction and demolition wastes. Waste Management, 50, 2016, 151-172.
Mots-clefs:	Matériaux de la déconstruction, réemploi d’éléments de structure, analyse du cycle de vie, économie circulaire

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